2種類の電流　差動と同相

プリント基板EMC Q＆A

差動モード電流の特徴

プリント基板設計において重要な課題の1つがEMC（Electromagnetic Compatibility）です．高周波信号や大電流のスイッチングが混在する環境では，不要な電磁放射が問題になります．そこで注目されるのが「差動モード電流」と「同相モード電流」という2種類の電流の流れです．これらを理解することが，基板設計におけるノイズ対策の第1歩になります．

差動モード電流の特徴

差動モード電流は，2本の伝送線路に逆向きに流れる電流です．たとえばクロック信号が配線を通過する場合，行きの信号電流と帰りの電流が対向して流れます．このとき2本の線路が近接していれば，それぞれが発生する電磁放射は互いに打ち消し合う方向に働きます．その結果，外部に放射されるノイズは小さくなる傾向があります．

プリント基板において差動伝送が広く用いられる理由はここにあります．USBやLVDSなどの高速通信規格が差動信号を採用しているのも，ノイズ耐性を高めるためです．

同相モード電流の特徴

同相モード電流は，2本の線路に同じ方向へ流れる電流です．行きと帰りが打ち消し合う差動モードと異なり，電磁放射は加算されてしまいます．このため，同相モード電流は外部ノイズの大きな要因になります．

同相モードが生じる要因はいくつかあります．

1. 基板配線の不平衡：配線長や配線幅が不揃いで差動が完全に対称でない場合
2. 寄生容量や寄生インダクタンス：部品実装やレイアウトの影響で電流が不均衡に流れる場合
3. 電源やグラウンドのインピーダンス：帰路が理想的でない場合に電流が共通モードへ変換される

これらが重なると，同相モード電流が増加し，意図しない電磁放射が発生します．

EMC対策への応用

差動モード電流と同相モード電流の性質を理解することで，基板のノイズ対策に応用できます．差動信号配線は可能な限り近接させ，長さをそろえることが重要です．また，グラウンド・パターンを十分に確保し，電流の帰路を明確にすることで同相成分を低減できます．さらに，コモン・モード・チョーク・インダクタを用いて同相電流を抑制する方法も有効です．

基板設計者にとって，差動モードと同相モードの違いを理解することは，電磁環境適合性を高めるうえで必須の知識です．電流の流れを正しくイメージし，レイアウトに反映することで，不要放射の低減と安定した動作が実現できます．

〈著：ZEPマガジン〉

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参考文献

1. ［PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾1【微分・積分】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾2【フーリエ解析】，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. Pythonではじめる 数値解析入門 [Vol.1 Pythonの開発環境をインストールする]，ZEPエンジニアリング株式会社．
10. Pythonではじめる 数値解析入門[Vol.2 グラフ描画ライブラリ“Matplotlib”で2次元のグラフを描く]，ZEPエンジニアリング株式会社．
11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．